阴离子取代ZnO基量子阱结构ZnO1-xSx/ZnO的设计、制备与光学特性研究

量子阱是先进光电器件的核心单元。同价阳离子部分取代ZnO的合金(ZnMgO等)与纯ZnO构成的量子阱结构已被广泛研究，而阴离子部分取代ZnO的合金（如ZnOS）构成的量子阱结构至今未见报道。本项目提出以脉冲激光沉积（PLD）方法来制备带隙可调的ZnOS外延单晶薄膜，并以此构筑相关的量子阱结构。以第一性原理计算模拟为理论基础和指导，系统研究不同S含量的ZnO1-xSx薄膜的生长动力学过程，获得实现ZnO与ZnS无限（宽限）固溶及高质量外延薄膜生长的工艺条件，确立PLD工艺下ZnOS合金的固溶相图。设计并制备ZnO1-xSx/ZnO单（多）量子阱结构，详细研究其光学特性，获得量子阱中激子态的性质及其对光学性质的影响，并确定产生量子效应的条件。探索研制n-ZnO/(ZnO1-xSx/ZnO) MQWs/p-GaN结构的异质结多量子阱蓝光LED，以实现和拓展ZnO在光电器件等领域的应用。

量子阱是先进光电器件的核心单元。同价阳离子部分取代ZnO的合金(ZnMgO等)与纯ZnO构成的量子阱结构已被广泛研究，而阴离子部分取代ZnO的合金（如ZnOS）构成的量子阱结构至今未见报道。本项目提出以脉冲激光沉积（PLD）方法来制备带隙可调的ZnOS外延单晶薄膜，并以此构筑相关的量子阱结构。我们对单层ZnOS薄膜、ZnO1-xSx/ZnO量子阱以及ZnO1-xSx/MgyZn1-yO量子阱做了系统研究。首先我们采用脉冲激光沉积（PLD）法在蓝宝石单晶衬底，p-Si，以及p-GaN template上制备出高质量的ZnO1-xSx外延薄膜。详细研究并揭示了S含量与ZnO1-xSx薄膜的晶体结构、电子结构、能隙宽度、光学及电学性能间的相互关系。我们采用PLD的方法通过调节氧压可以将S在ZnO的固溶度提高到0.23。而通过改变温度，可以将S的溶解度极限继续增大到0.556，同时禁带宽度也可以随之调节到2.62 eV，从而进一步扩展ZnO基器件到蓝光波段。然后，我们也制备和研究了ZnO1-xSx/ZnO量子阱以及ZnO1-xSx/MgyZn1-yO量子阱，研究了量子阱的结构和光学特性。并在以上工作的基础上，我们从理论上研究了ZnOS在器件方面的应用。利用AMPS-1D程序对以ZnOS梯度薄膜作为缓层的CuInS2薄膜电池的电子能带结构（导带衔接）进行了系统模拟。研究发现通过调整ZnOS梯度缓层各层厚度及组分，可以实现graded-ZnOS缓层与CuInS2吸收层及ZnO窗口层在电子学和晶体学上的最佳匹配，并设计出具有高光电转换效率的以graded-ZnOS为缓层的CuInS2电池。另外，我们也尝试利用水热法制备S掺杂和S、N共掺杂的ZnO纳米棒，以扩展ZnOS的研究和应用，并期望通过不同的方法掺杂得到稳定p-ZnO。